Antriebseinheit eines Radialverdichterprüfstands
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das beschaffte Gerät „Antriebseinheit eines Radialverdichterprüfstands“ bildet die notwendige Infrastruktur für den Betrieb einer an der Abtriebswelle angeschlossenen Radialverdichterstufe. Die zentralen Komponenten des Geräts sind die Antriebs-/Umrichtermaschine, eine Umrichteranlage, ein Transformator, die Prüfstandssteuerung, eine Ölversorgungsanlage, eine Prüfstandsunterkonstruktion und der Wellenstrang mit Kupplung und Stufenplanetengetriebe. Die gesamte Antriebseinheit wurde am 04.02.2014 erstmalig in Betrieb genommen und bildet die Basis für eine langjährige Radialverdichterforschung. Abhängig vom jeweiligen Forschungsziel werden zukünftig verschiedene Radialverdichterstufen als Forschungsobjekte auf dem Prüfstand montiert. Somit werden zahlreiche Forschungsprojekte (gefördert u. a. durch die DFG, BMWi, AiF und FVV) von den durch die leistungsstarke Antriebseinheit gegebenen optimalen und notwendigen Voraussetzungen profitieren. Aufgrund einer langen Auslegungs- und Aufbauphase und einer hohen Komplexität der gefertigten Prüfstandskomponenten wurde der gesamte Prüfstand mitsamt der hochaufladenden Radialverdichterstufe als erster Prüfling erst am 05.04.2016 in Betrieb genommen. Seitdem konnten aufgrund eines zuverlässigen Betriebs des Radialverdichterprüfstands und dessen Antriebseinheit in den aktuellen Forschungsprojekten „Validierung Numeca C“ und „Flexibler Radialverdichter“ kontinuierlich Forschungsergebnisse generiert werden. Innerhalb der aktuellen Forschungsprojekte wurde die Basisstufe unter Einsatz eines modernen numerischen Optimierungsalgorithmus hinsichtlich einer Maximierung des isentropen Wirkungsgrads im gesamten Betriebsbereich und einer Minimierung der Wanddruckamplitude stromauf des Laufrads (geringere Schallabstrahlung in die Saugleitung) optimiert. Die Optimierungsergebnisse weisen einen großen Erfolg aus, da eine Wirkungsgraderhöhung um 1,4 Prozentpunkte im Voll- und um 2,3 Prozentpunkte im Teillastbetriebsbereich erzielt werden konnte. Zudem konnte die Wanddruckamplitude stromauf des Laufrads um 34% gesenkt werden, was gleichbedeutend ist mit einer wesentlich geringeren Schallabstrahlung in die Saugleitung. Die weiteren zentralen Ziele der laufenden Projekte sind die experimentelle Validierung beider Radialverdichterstufen sowie der experimentelle Nachweis des numerisch erzielten Optimierungserfolgs. Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme des Radialverdichterprüfstands wurde bislang die Basisstufe experimentell umfassend vermessen und ein Vergleich mit den numerischen Ergebnissen durchgeführt. Zunächst wurden mit stationärer Druck- und Temperaturmesstechnik umfangreiche Kennfeldmessungen zur Erfassung des gesamten Betriebsbereichs durchgeführt. Insgesamt wurden sechs Kennlinien (Betriebscharakteristik bei einer konstanten Drehzahl) der Verdichterstufe bei den Drehzahlen 50%, 70%, 78%, 85%, 95% und 100% der Nenndrehzahl messtechnisch aufgezeichnet. Da es sich um einen offenen Verdichterprüfstand handelt, welcher atmosphärische Luft ansaugt, wurden zusätzlich für jede (reduzierte) Drehzahl Vergleichsmessungen des Kennfelds bei anderen Umgebungs-/Eintrittsbedingungen angestellt. Die ausgewerteten Messdaten zeigen eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Betriebspunkte. Hier wird u. a. auch von der hochgenauen Drehzahlregelung der hochwertigen Antriebseinheit profitiert. Im Vergleich mit den numerischen Ergebnissen zeigen die gemessenen Kennlinien insgesamt eine zufriedenstellende Übereinstimmung, so dass die Numerik hinsichtlich der globalen Betriebsdaten der Basisverdichterstufe ausreichend validiert werden konnte. Zusätzlich zu der Kennfeldmesstechnik ist die Radialverdichterstufe mit 88 stationären und 18 instationären Druckmessstellen über dem Laufrad und innerhalb des schaufellosen Diffusors instrumentiert. Hierdurch lassen sich die beiden Komponenten Laufrad und Diffusor getrennt voneinander bilanzieren und hinsichtlich deren Druckaufbaus in meridionaler Richtung sowie deren stationärer Druckverteilung in Umfangsrichtung detailliert untersuchen. Die Messergebnisse zeigen, dass das Spiralgehäuse je nach Betriebspunkt einen sehr ausgeprägten stromauf gerichteten Einfluss auf die azimutale Druckverteilung im Diffusor hat. Dieser Einfluss ist nicht nur durch die Spiralzunge gegeben, sondern je nach Betriebspunkt ebenfalls durch einen vom Auslegungspunkt der Spirale abweichenden Abströmwinkel des Diffusors. Eine stromauf gerichtete Potentialwirkung des Spiralgehäuses beeinflusst bekanntermaßen ebenfalls das Betriebsverhalten des Laufrads, da diesem ein inhomogenes Druckfeld am Laufradaustritt aufgeprägt wird. Diese Messergebnisse der Umfangsdruckverteilung sind von hoher Bedeutung, um u. a. die Betriebsbereiche mit geringem Spiraleinfluss zu identifizieren und somit den Abgleich mit der Numerik einzuordnen. Weiterhin zeigen die Messergebnisse des Druckanstiegs in meridionaler Richtung über dem Laufrad und im Diffusor eine größtenteils gute Übereinstimmung mit der Numerik. Mit Hilfe der instationären Druckmessungen konnte bislang die Wanddruckamplitude stromauf des Laufrads erfasst und eine gute Übereinstimmung mit den numerischen Ergebnissen erzielt werden. Dies bildet eine wichtige Grundlage für den zukünftigen Nachweis der Reduzierung der Wanddruckamplitude durch das optimierte Laufraddesign. Darüber hinaus wurden weitere Detailmessungen der Diffusorströmung bei mehreren Betriebspunkten und an drei verschiedenen Diffusorpositionen durchgeführt. Dabei wurden eine 3-Lochsonde, eine Totaldruckund eine Totaltemperatursonde entlang der Diffusorbreite traversiert. Die Ergebnisse geben Aufschluss über die (In-)Homogenität der Laufrad- und Diffusorabströmung entlang der Kanalhöhe bzw. Diffusorbreite. Alle hier genannten Messungen werden äquivalent ebenfalls mit der optimierten Radialverdichterstufe auf dem Prüfstand durchgeführt, um einen direkten Vergleich der Betriebscharakteristik sowie der Laufrad- und Diffusorströmung anzustellen. Für die Zeit im Anschluss an die aktuellen Forschungsprojekte mit den hochaufladenden Verdichterstufen (Druckverhältnis sechs) sind bereits Folgeprojekte geplant, für die eine Industrieverdichterstufe mit einem Druckverhältnis von drei untersucht werden soll. Somit sind eine kontinuierliche Auslastung des Radialverdichterprüfstands sowie eine langjährige Radialverdichterforschung am Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen gewährleistet. Insgesamt haben die bisherigen Prüfstandsversuche gezeigt, dass die beschaffte hochmoderne und leistungsfähige Antriebseinheit die optimalen Voraussetzungen für den Prüfstandsbetrieb und damit für das Erreichen der aktuellen und auch der zukünftigen Forschungsziele bietet.
